복굴절 광섬유를 이용한 전류측정에 관한 연구

장남영,최평석,은재정,Jang Nam-Young,Choi Pyung-Suk,Eun Jae-Jeong 한국융합신호처리학회 2005 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.6 No.2

광섬유 전류 센서 특히, 단방향 편광형 광섬유 전류센서(PFOCS)에서 측정전류 정밀도는 센싱 광섬유상의 외부 환경적 변화요인 즉, 음향 진동의 변화와 전류 도체 주위에 감긴 센싱 광섬유 밴딩과 같은 내부적 변화요인에 의해 악영향을 받는다. 이와 같은 변화 요인들은 센서 헤드를 구성하는 센싱 광섬유의 복굴절 특성에 영향을 주어 결국 오전류 측정의 원인이 되고, 따라서, 단방향 PFOCS에 대한 보상 기술인 가역적 PFOCS를 이용하여, 이와 같은 복굴절 변화요인들을 억제할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 가역적 PFOCS의 성능해석을 위해 센싱 광섬유 상에 존재하는 외부 환경적 요인과 내부 요인으로 인한 편광도 오차와 오전류를 수치해석 하였다. 또한, 가역적 PFOCS 구조에서 일반 반사경과 faraday 회전경(FRM)의 사용으로 인한 효과 및 서로 다른 광원의 파장에 대한 효과를 비교하였다. 그 결과, 편광도 오차는 $633{\cal}nm$에서, 일반 반사경 및 FRM을 사용했을 때, 각각 $2.3\%$와 $0.0196\%$로 계산되었고, $1300{\cal}nm$에서 편광도 오차는 각각 $9.87\%,\;0.0196\%$로 계산되었다. 또한, 단방향 PFOCS와 비교한 오전류 수치해석 결과, 일반 반사경 및 FRM을 사용한 경우에 각각 $9.82{\times}10^{-9}A,\;1.4{\times}10^{-17}A$로 단방향 PFOCS의 경우보다 외부 환경변화 및 내부 변화요인에 강인한 센서 구조임이 확인되었다. Accuracy of current measurement in fiber optic current sensor(FOCS), especially, unidirectional polarimetric fiber optic current sensor(PFOCS) is affected by the environment perturbations such as acoustic vibrations changes to the sensing fiber, and intrinsic perturbations such as the bending fiber that the sensing fiber wound around a current carrying wire. The perturbations affect the birefringence properties of sensing fiber in sensor head and cause false current readings. Thus, using compensation technique, reciprocal PFOCS, for unidirectional PFOCS the perturbations are suppressed. In this paper, we carried out the numerical analysis of performance in reciprocal PFOCS including the degree of polarization error, and false current of environmental and intrinsic perturbations on the sensing fiber. Also, we compared the effect of mirror with the faraday rotation mirror(FRM) in reciprocal PFOCS configuration. And the different optical source's wavelengths, 633nm and 1300nm is used. In the results, at 633nm, using mirror and FRM, the degree of polarization error is calculated to $2.3\%$ and $0.0196\%$, respectively. At $1300{\cal}nm$ using mirror and FRM the degree of polarization error is calculated to $9.97\%$ and $0.0196\%$, respectively. Also, compared with false current, the results is calculated to $9.82{\times}10^{-9}A$ and $1.4{\times}10^{-17}A$, respectively, and show that the reciprocal PFOCS is more robust configuration than unidiretionnal PFOCS for environmental and intrinsic perturbations.

편광측정법에 의한 광섬유 전류 센서 제작에 관한 연구

장남영,최평석,은재정,박해수 대한전자공학회 2004 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.41 No.06

In this paper, a polarimetric fiber optic current sensor(P-FOCS) is experimented and fabricated, and then a possibility to the commercial utilization of the P-FOCS is also investigated. The P-FOCS measures an applied current by a Faraday rotation linearly proportional to a magnetic field generated by the applied current. The bending-induced linear birefringence in the sensing fiber is minimized by using the low birefringent fiber. Also, all fiber-optic components are used to avoid optical losses coming from the use of bulk components. A signal processing circuit is constructed and used to eliminate the effects of intensity variations in the output signal due to losses coming from misalignments of components such as fiber connectors. Using the optical source of 632.8nm wavelength, Faraday rotation is measured by passing through the sensing fiber within the solenoid of about 1500 turns which is equivalent to a current source of about 7500A. In the range of 1000A to 7500A, the measurement error for linearity is within about 1.5%. 본 논문에서는, 편광측정법에 의한 광섬유 전류 센서(P-FOCS)를 실험제작하여, 실제 필드에 적용할 수 있는 P-FOCS의 상용화 가능성에 대하여 연구하였다. P-FOCS는 인가된 전류에 의해 발생한 자기장에 비례하는 Faraday 회전각을 측정함으로서 인가된 전류를 측정한다. P-FOCS의 센싱 광섬유로는 저복굴절 광섬유를 사용하여 밴딩에 의한 선복굴절의 영향을 최소화하였으며, 벌크(bulk)한 광학소자의 사용으로 인한 광 손실을 막기 위해 전 광섬유 소자를 사용하였다. 또한, 구성된 신호처리회로는 광섬유 소자들의 연결부에서의 손실로 인한 출력 신호의 강도 변화를 제거하기 위해 사용된다. Faraday 회전각은, 632.8nm 파장의 광원을 이용하여 권선수가 약 1500인 솔레노이드에 전류를 인가해 7500A의 전류원의 효과를 얻도록 하여, 솔레노이드 내부에 센싱 광섬유를 통과시켜 측정하였다. 1000A~7500A 범위에서, 선형성의 측정 오차는 약 1.5% 이내였다.

고차 비구면 렌즈의 성능평가 시스템에 관한 연구

장남영,최평석,은재정 한국융합신호처리학회 2006 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.9 No.1

본 논문에서는 고차 비구면 렌즈의 성능 평가를 위해, Fizeau 형 위상 천이 간섭계(FPSI) 시스템을 제안한다. 제안된 Fizeau 형 위상 천이 간섭계 시스템은 광학부와 신호처리부로 나뉘며 이는 하드웨어 운용 프로그램을 통해 구동된다. 또한, 제안된 시스템으로 획득된 간섭무늬를 해석하기 위해, 위상 천이 알고리즘을 적용한 간섭무늬 해석 프로그램을 개발하였다. 본 논문에서 제안한 FPSI 시스템의 측정 결과는 업계 표준으로 사용되고 있는 Zygo 사의 간섭계 측정 장치인 Mark Ⅳ와 직접 비교함으로써 그 타당성을 입증하였다. 평가된 고차 비구면 렌즈의 표면 오차에 대한 PV(Peak-to-Valley) 및 RMS 값은 각각 0.845 wave 및 0.1871 wave로 측정되었고 Mark Ⅳ와 비교한 결과, 측정 오차는 각각 이하로 계산되었다. 또한, 비구면 렌즈의 성능평가 시스템의 반복능도 이하의 신뢰할 만한 결과를 얻었다. We propose the Fizeau-type phase shifting interferometer(FPSI) system for the performance test of high-order aspheric lenses. The proposed system is divided into two parts : optical part and signal processing part. Those two parts are operated by a program for hardware control. We also developed an analysis program adopting the phase shifting algorithm to analyze the obtained interferograms. We can confirm that the proposed system is efficient and adequate by direct comparison with the standard criterion in Mark IV interferometric system of Zygo. The peak-to-valley and RMS values of surface errors which are used to characterize high-order aspheric lenses are 0.845 wave and 0.1871 wave, respectively. The measurement errors between the proposed system and Mark IV are less than λ/100 and the repeatability is also calculated at less than λ/100.

단일모드 광섬유와 편광소멸기를 이용한 저가형 광섬유 자이로스코프에 관한 연구

장남영,함형재,송희영,최평석,은재정,Jang, Nam-Young,Ham, Hyung-Jae,Song, Hui-Young,Chio, Pyung-Suk,Eun, Jae-Jeong 한국융합신호처리학회 2008 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.9 No.3

In this paper, we carried out the performance evaluation of depolarized fiber optic gyroscope(D-FOG) that was designed and fabricated with the low-cost optical communication single mode fiber and depolarizer. In order to reduce the phase error of D-FOG, the circuit of stabilized current and temperature of the light source was made and the performance was analyzed. The current and the temperature stability of the fabricated stabilization circuit were less than $200{\mu}A$ and $0.0098^{\circ}C$, respectively. Also, the D-FOG's experimental result showed that the value of the dynamic range of rotated rate, the scale factor error with a good linearity, and the zero bias drift were ${\pm}50^{\circ}/s$, 2.8881%, and $19.49^{\circ}/h$, respectively. The results indicated that a low-cost FOG was able to fabricate which was more cost effective than conventional FOG with a high-cost high-birefringent polarization maintaining fiber. 본 논문에서는 저가의 광통신용 단일모드 광섬유와 편광소멸기를 이용한 비편광 광섬유 자이로스코프(D-FOG)를 설계/제작하여, 성능을 평가하였다. D-FOG의 위상오차를 줄이기 위해 사용광원의 전류 및 온도 안정화 회로를 제작하여 그 성능을 분석하였다. 제작된 전류 및 온도 안정화 회로의 전류 안정도는 $200{\mu}A$ 미만, 온도 안정도는 $0.0098^{\circ}C$로 양호한 성능을 보였다. 또한, 본 논문에서 제작된 D-FOG의 회전 각속도 측정 범위는 ${\pm}50^{\circ}/s$, Scale factor error는 2.8881%로 양호한 선형성을 보였으며, zero bias drift는 $19.49^{\circ}/h$의 bias 안정도를 보였다. 이는 고가인 고복굴절 편광 유지 광섬유를 이용해 제작된 기존의 FOG에 비해 높은 가격효율성을 갖는 저가의 FOG 제자의 가능성을 보여준다.

호모다인 검파방식을 이용한 X-밴드 도플러 레이더 센서의 설계 및 제작

장남영,최평석,은재정 한국융합신호처리학회 2001 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.2 No.2

본 논문에서는 Gunn 다이오드와 SBD를 이용하여 X-밴드 내역의 송신기 및 수신기를 설계 ·제작하였다. 이 시스템은 이동 물체의 속도를 측정하는 도플러 레이더 센서로서, 이동 물체에 의해 반사된 도플러 천이 신호를 호모다인 검파방식을 통해 검출한다. 실험을 통해 송신기의 발진조건은 대략 도파관에 위치한 Gunn 다이오드의 지지대와 도과관의 단락판 사이의 거리가 반파장일 때 만족함을 알 수 있었으며, 제작된 도플러 레이더 센서를 이용한 이동 물체의 속도측정 오차는 1.24%로 측정 되었다. In this paper, a transmitter and a receiver using a Gunn diode and SBD was designed and fabricated in X-band. This system detects Doppler shift signal reflected by moving target through the homodyne detection, which is Doppler radar sensor for the measurement of the velocity of moving target. By the experimental results, the oscillating condition of the transmitter was satisfied at about the half wavelength between the supporting post of the Gunn diode in the waveguide and the waveguide short. And using the fabricated Doppler radar sensor, the velocity measurement deviation of moving target was 1.24%.

편광측정법에 의한 광섬유 전류 센서 제작에 관한 연구

장남영,최평석,은재정,박해수,Jang, Nam-Young,Chio, Pyung-Suk,Eun, Jae-Jeong,Park, Hae-Soo 대한전자공학회 2004 電子工學會論文誌-SD (Semiconductor and devices) Vol.41 No.6

본 논문에서는, 편광측정법에 의한 광섬유 전류 센서(P-FOCS)를 실험·제작하여, 실제 필드에 적용할 수 있는 P-FOCS의 상용화 가능성에 대하여 연구하였다. P-FOCS는 인가된 전류에 의해 발생한 자기장에 비례하는 Faraday 회전각을 측정함으로서 인가된 전류를 측정한다. P-FOCS의 센싱 광섬유로는 저복굴절 광섬유를 사용하여 밴딩에 의한 선복굴절의 영향을 최소화하였으며, 벌크(bulk)한 광학소자의 사용으로 인한 광 손실을 막기 위해 전 광섬유 소자를 사용하였다. 또한, 구성된 신호처리회로는 광섬유 소자들의 연결부에서의 손실로 인한 출력 신호의 강도 변화를 제거하기 위해 사용된다. Faraday 회전각은, 632.8nm 파장의 광원을 이용하여 권선수가 약 1500인 솔레노이드에 전류를 인가해 7500A의 전류원의 효과를 얻도록 하여, 솔레노이드 내부에 센싱 광섬유를 통과시켜 측정하였다. $1000A{\sim}7500A$ 범위에서, 선형성의 측정 오차는 약 1.5% 이내였다. In this paper, a polarimetric fiber optic current sensor(P-FOCS) is experimented and fabricated, and then a possibility to the commercial utilization of the P-FOCS is also investigated. The P-FOCS measures an applied current by a Faraday rotation linearly proportional to a magnetic field generated by the applied current. The bending-induced linear birefringence in the sensing fiber is minimized by using the low birefringent fiber. Also, all fiber-optic components are used to avoid optical losses coming from the use of bulk components. A signal processing circuit is constructed and used to eliminate the effects of intensity variations in the output signal due to losses coming from misalignments of components such as fiber connectors. Using the optical source of 632.8nm wavelength, Faraday rotation is measured by passing through the sensing fiber within the solenoid of about 1500 turns which is equivalent to a current source of about 7500A. In the range of 1000A to 7500A, the measurement error for linearity is within about 1.5%.

전력기기용 고안정성 광섬유 CT 센서의 광 신호처리기 설계 및 구현

장남영,최평석,은재정,정현성,Jang, Nam-Young,Choi, Pyung-Suk,Eun, Jae-Jeong,Cheong, Hyeon-Seong 한국융합신호처리학회 2007 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.8 No.3

본 논문에서는 PFOCS 형태의 전력기기용 고안정성 광섬유 CT 센서에 활용할 수 있는 광 신호처리기를 설계/구현하고 그 특성에 대하여 논의하였다. 본 논문에서 제작한 광 신호처리기는 PFOCS를 구성하는 광 부품에서 발생되는 광 손실이나 편광변화로 인한 출력 광의 강도 변화로 발생하는 측정 전류 오차를 줄이기 위해 사용된다. 또한, 광 신호처리기는 광전 변환부, 아날로그 신호처리부, 레벨 시프트 및 마이크로프로세서로 구성된 실시간 계측제어부를 일원화하여 소형/경량으로 제작되었다. 제작된 광 신호처리기의 특성 실험은, 전광섬유 소자로 구성된 PFOCS를 이용하여, 632.8nm 파장의 광원과 권선수가 약 1500인 솔레노이드에 전류를 인가해 $0{\sim}7,500A$의 범위에 대하여 수행하였다. 그 결과, 측정 전류의 선형성 오차는 1,000A에서 7,000A 범위에서 최대 1.7%미만, 평균 오차는 약 0.3% 미만으로 양호한 선형성을 보였다. In this paper, we have designed and implemented an optical signal processor in order to use in a fiber-optic current CT for electric equipments where its properties were discussed. The fabricated optical signal processor is used to reduce a measurement current error that induced by the effects of intensity variation in the optical output signal due to losses coming from optical components or polarization variation in a PFOCS. Also, the optical signal processor was fabricated in compact/lightweight with unification of opto-electronic transducer part, analog signal process part, and real-time measurement part consisted of a level shift and ${\mu}-processor$. The experiment of optical signal processor has been performed in the range of $0{\sim}7,500A$ using the PFOCS made all fiber-optic components. As a result of experiment, the linearity error of measurement current is less than 1.7% and its average error is less than 0.3% in the range of $1,000A{\sim}7,000A$.

고차 비구면 렌즈의 성능평가 시스템에 관한 연구

장남영,최평석,은재정,Jang Nam-Young,Choi Pyung-Suk,Eun Jae-Jeong 한국융합신호처리학회 2006 융합신호처리학회 논문지 (JISPS) Vol.7 No.3

본 논문에서는 고차 비구면 렌즈의 성능 평가를 위해, Fizeau 형 위상 천이 간섭계 (FPSI) 시스템을 제안한다. 제안된 Fizeau 형 위상 천이 간섭계 시스템은 광학부와 신호처리부로 나뉘며 이는 하드웨어 운용 프로그램을 통해 구동된다. 또한, 제안된 시스템으로 획득된 간섭무늬를 해석하기 위해, 위상 천이 알고리즘을 적용한 간섭무늬 해석 프로그램을 개발하였다. 본 논문에서 제안한 FPSI 시스템의 측정 결과는 업계 표준으로 사용되고 있는 Zygo 사의 간섭계 측정 장치인 Mark IV와 직접 비교함으로써 그 타당성을 입증하였다. 평가된 고차 비구면 렌즈의 표면 오차에 대한 PV(Peak-to-Valley) 및 RMS 값은 각각 0.845 wave 및 0.1871 wave로 측정되었고 Mark IV 와 비교한 결과, 측정 오차는 각각 ${\lambda} /100$ 이하로 계산되었다. 또한, 비구면 렌즈의 성능평가 시스템의 반복능도 ${\lambda}/100$ 이하의 신뢰할 만한 결과를 얻었다. We propose the Fizeau-type phase shifting interferometer(FPSI) system for the performance test of high-order aspheric lenses. The proposed system is divided into two parts : optical part and signal processing part. Those two parts are operated by a program for hardware control. We also developed an analysis program adopting the phase shifting algorithm to analyze the obtained interferograms. We can confirm that the proposed system is efficient and adequate by direct comparison with the standard criterion in Mark IV interferometric system of Zygo. The peak-to-valley and RMS values of surface errors which are used to characterize high-order aspheric lenses are 0.845 wave and 0.1871 wave, respectively. The measurement errors between the proposed system and Mark IV are less than ${\lambda}/100$ and the repeatability is also calculated at less than ${\lambda}/100$.

Wigner 분포 함수를 이용한 위상지연 함수에 대한 연구

장남영,은재정,강호정,최평석 國立 昌原大學校 産業技術硏究所 2000 産技硏論文集 Vol.14 No.-

작은 초점 심도를 갖는 원형 대칭 광시스템에 대하여 Wigner 분포 함수(WDF)를 적용해 얻은 위상 지연 함수와 초점 심도와의 관계를 설명한다. 일반적인 광시스템의 이차원의 원형 개구는 잘알려진 변환식에 의해 일차원 동공 함수로 변환되고 변환된 일차원 동공 함수는 다시 Wigner 함수로 표현된다. 일반적으로 일차원 함수를 Wigner 함수로 변환시키면 2차원 함수가 된다. 초점 심도와 위상 지연 함수와의 관계는 2차원 위상 공간(χ, ζ)으로 표현되는 Wigner 함수를 χ축으로 α만큼 기울이므로써 얻을 수 있다. 여기서 초점 거리 f를 1220mm, 구경이 12.5mm, 사용된 광파장 λ가 633nm일 때 α값에 따른 초점 심도의 변화를 수치해석 한다.

저 복굴절 광섬유를 이용한 대전류 측정에 관한 연구

장남영(Nam Young Jang),은재정(Jae Jung Eun),최평석(Pyung Suk Choi),박해수(Hae Soo Park),오상기(Sang Gi Oh) 대한전기학회 2003 대한전기학회 학술대회 논문집 Vol.2003 No.7